Národní laboratoř Argonne amerického ministerstva energetiky (DOE) zpřístupnila výzkumníkům z celého světa svůj exascale superpočítač Aurora, čímž ohlašuje novou éru objevů založených na výpočetní technologii. Představme si ji jako 10 000 počítačů, které spolu velmi rychle komunikují.
Aurora je jedním z prvních exascale superpočítačů na světě, spolu s Frontierem v Národní laboratoři Oak Ridge při Ministerstvu energetiky USA a El Capitanem v Národní laboratoři Lawrence Livermora při Ministerstvu energetiky USA. „Exascale“ označuje systémy schopné provádět alespoň exaflop — kvintilion (miliardu miliard) výpočtů za sekundu [tedy 1018 operací v plovoucí řádové čárce za sekundu, což umožňuje řešit složité problémy v oblastech, jako je vědecký výzkum, medicína nebo průmysl, které by na běžných počítačích byly nezvládnutelné, a poskytuje vědcům odpovědi na otázky, které dříve zůstávaly bez odezvy — pozn. red.]. Vybavení Ministerstva energetiky USA tedy není prvním, které dosáhlo mety exascale, v současnosti se však řadí mezi tři nejrychlejší na světě.
Aurora se již etablovala jako jeden z předních systémů v oblasti výkonu umělé inteligence (AI). Její schopnosti využívají vědci k objevování nových materiálů, léků a urychlení výzkumu energie.
„Velkým cílem pro Auroru je trénování rozsáhlých jazykových modelů pro vědu,“ řekl novinářům Rick Stevens, zástupce ředitele laboratoře Argonne pro informatiku, životní prostředí a biologické vědy. „Například s projektem AuroraGPT budujeme vědecky orientovaný základní model, který dokáže shromažďovat znalosti napříč mnoha oblastmi od biologie po chemii. Jedním z cílů projektu je umožnit výzkumníkům vytvářet nové nástroje AI, které jim pomohou dosahovat pokroku tak rychle, jak dokážou myslet — nejen tak rychle, jak dokážou počítat.“
Aurora je jednou z dosud největších instalací superpočítačů © ALCF
Mezi prvními projekty na misi Aurora patří vývoj vysoce věrných modelů komplexních systémů, jako je lidský oběhový systém, jaderné reaktory a supernovy, při snaze získat nové poznatky o jejich chování. Schopnost zpracovávat obrovské datové sady je pro analýzu podkladů z rozsáhlých výzkumných zařízení klíčová.
Systém postavený ve spolupráci se společnostmi Intel a HPE (Hewlett Packard Enterprise) je vybaven 63 744 procesory GPU a 84 992 síťovými koncovými body. Stroj se rozkládá na osmi řadách skříní o velikosti ledničky, váží 600 t, pokrývá plochu 1 000 m2, což odpovídá velikosti dvou profesionálních basketbalových hřišť. Propojení zajišťují síťové kabely v souhrnné délce 500 km. Spotřeba dosahuje 600 MW.
Aby byla Aurora připravena na vědecké využití hned v první den nasazení, byl systém vybudován prostřednictvím společného procesu zvaného co-design. Pomocí tohoto přístupu vývojový tým vytvořil hardware a vědecký software systému optimalizovaný na výkon a použitelnost v dané oblasti. To vyžadovalo roky spolupráce mezi ALCF (Argonne Leadership Computing Facility), Intelem, HPE a výzkumníky z celé země, kteří se účastnili projektů Exascale Computing Project (ECP) a Aurora Early Science Program (ESP) Ministerstva energetiky USA.
Nyní je už Aurora v plném provozu a aktuálně podporuje více než 70 rozmanitých vědeckých a technických projektů.
Rentgen jako stadion
Když vědci z Argonne National Laboratory popisují nový superpočítač Aurora a vylepšený zdroj fotonů APS (advanced photon source), mají tendenci používat superlativy.
„Aurora je obří,“ říká Katherine Rileyová, ředitelka vědeckého oddělení v Argonne. „Představte si ji jako 10 000 počítačů, které spolu velmi, velmi rychle komunikují.“
„Představte si pokročilý fotonový zdroj APS jako obří mikroskop,“ uvádí Laurent Chapon, ředitel pro fotonové vědy v Argonne. „Je to obrovský rentgenový mikroskop. Vypadá podobně jako ten, který máte v lékařském prostředí, ale výsledek je miliardkrát jasnější.“
Tyto dva špičkové vědecké přístroje jsou společně připraveny způsobit revoluci ve výzkumu v široké škále oblastí, od materiálové vědy a medicíny po modelování klimatu a energetiku. A Argonne, federálně financované výzkumné a vývojové centrum v Lemontu ve státě Illinois, využívání těchto dynamických vědeckých nástrojů dále zvyšuje.
Aurora byla představena už loni, až letos na jaře ovšem překonala exascale bariéru a je podle tvrzení ústavu nejrychlejším a nejlépe hodnoceným superpočítačem na světě pro vysoce výkonné výpočty a konvergenci AI. Obrovský výpočetní výkon umožní řešit složité simulace a analýzy dat, které byly dříve neproveditelné.
Zdroj fotonů Advanced Photon Source v Argonne National Laboratory v Lemontu ve státě Illinois má tvar prstence © ANL
Fotonový zdroj (APS) umístěný v prstenci tak velkém, že by se do něj vešel celý baseballový chicagský stadion Wrigley Field, bude generovat rentgenové záření až 10× jasnější než předchůdce, což vědcům umožní studovat hmotu s nebývalou úrovní detailů. Jde o jedno z nejproduktivnějších zařízení pro rentgenové zdroje světla na světě. APS poskytuje vysoce jasné rentgenové paprsky rozmanité komunitě výzkumníků. Toto rentgenové záření je ideální pro výzkum materiálů a biologických struktur; elementární distribuce; chemických, magnetických a elektronických stavů; a široké škály technologicky důležitých inženýrských systémů od baterií až po vstřikovače paliva, což jsou všechny základy ekonomické, technologické a fyzické prosperity našeho národa. Každý rok přes 5 000 výzkumníků využívá APS k vytvoření více než 2 000 publikací popisujících významné objevy a k řešení biologických proteinových struktur, více než uživatelé jakéhokoli jiného výzkumného zařízení pro rentgenové zdroje světla.
Jednou z nejzajímavějších oblastí spolupráce mezi Aurorou a APS bude objevování nových materiálů. S jejich využitím k simulaci chování různých materiálů za řady podmínek mohou vědci identifikovat slibné kandidáty pro další studium.
První výsledky
Vědci z Argonne vyvinuli novou membránovou technologii pro extrakci lithia z vody. Nejlehčí kov v periodické tabulce hraje klíčovou roli v moderním životě. Jeho nízká hmotnost a vysoká energetická hustota ho předurčují pro elektromobily, mobilní telefony, notebooky a vojenské technologie, kde se počítá každý gram. S prudkým růstem poptávky po lithiu rostou obavy o dodávky. Jeho těžba je drahá, energeticky náročná a neefektivní. Tradiční metody spočívají v oddělení lithia od jiných prvků, jako je sodík a hořčík.
Vědci z Argonne National Laboratory však vyvinuli inovativní membránovou technologii, která efektivně extrahuje lithium z vody. Většina lithia na Zemi je totiž rozpuštěna v mořské vodě a podzemních zásobách slané vody. Ve slané vodě se lithium a další prvky vyskytují jako kationty, tedy atomy, které ztratily jeden nebo více elektronů, což jim dává kladný elektrický náboj. Klíčem k efektivní extrakci lithia je filtrování ostatních kationtů na základě velikosti i stupně náboje.
Nová membrána nabízí slibné nízkonákladové řešení. Je vyrobena z vermikulitu, přirozeně se vyskytujícího jílu, jehož tuna stojí jen asi 350 USD. Tým vyvinul proces, jak loupat jíl do ultratenkých vrstev a poté je znovu skládat. Tyto vrstvy jsou tak tenké, že jsou považovány za 2D a fungují jako filtr. Neošetřené jílovité vrstvy se však ve vodě rozpadnou během půl hodiny.
Vědci tento problém vyřešili tak, že vložili mezi vrstvy mikroskopické sloupky z oxidu hlinitého, čímž dali konstrukci vzhled rozestavěného výškového parkoviště. To zabraňuje kolapsu a zároveň neutralizuje negativní povrchový náboj membrány, což je pro následné úpravy klíčové.
Následně byly do membrány zavedeny sodné kationty, které se usadily kolem oxidu hlinitého. Tím se změnil povrchový náboj membrány z neutrálního na kladný. Ve vodě nesou kladný náboj vedle iontů lithia i ionty hořčíku, ty však nesou vyšší náboj (+2; lithium +1). Kladně nabitý povrch membrány tak odpuzuje ionty hořčíku silněji a to umožňuje membráně ionty lithia snadněji zachytit.
Pro další vylepšení výkonu přidali ještě více sodíkových iontů. Tím se zmenšila velikost pórů membrány. Výsledkem je, že membrána propouští menší ionty, jako je sodík a draslík, a zároveň zachycuje větší lithiové ionty.
Membrána dokáže filtrováním podle velikosti iontů i náboje vyjmout lithium z vody s poměrně velkou účinností. V přípravě průmyslového nasazení by snížila naši závislost na zahraničních dodavatelích a otevřela dveře k novým zásobám lithia v místech, o kterých se nikdy neuvažovalo.
Vědci se domnívají, že tento průlom by mohl mít širší uplatnění, od získávání dalších klíčových materiálů, jako je nikl, kobalt a prvky vzácných zemin, až po odstraňování škodlivých kontaminantů z vodních zdrojů.
Už žádné póry
Vědci z Argonne National Laboratory v Illinois ve spolupráci s University of Virginia vyvinuli nový přístup k detekci vad v kovových součástech vyrobených 3D tiskem. Kombinací umělé inteligence (AI), rentgenového zobrazování a termovize by tento přístup mohl v budoucnu vydláždit cestu pro systémy s automatickou korekcí v reálném čase. Kovový tisk 3D zahrnuje metodu zvanou laserová fúze v práškovém loži, při které se objekty vytvářejí vrstvu po vrstvě tavením kovového prášku laserem. Velkým problémem v tomto procesu jsou však defekty, zejména póry typu „klíčová dírka“, což jsou drobné otvory, které vznikají, když se laser roztaví příliš hluboko. Tyto póry oslabují výsledný objekt, což je značný problém při tisku vysoce namáhaných dílů, jako jsou raketové trysky nebo chirurgické implantáty.
Póry v podobě klíčových otvorů také představují značnou výzvu, protože narušují strukturální integritu tištěných dílů. Tyto drobné dutiny vznikají, když nadměrná laserová energie vytváří hluboké, úzké otvory, které zachycují plyn, což vede ke vzniku vnitřních dutin při tuhnutí kovu.
Opakující se mikroskopické póry v podobě klíčových otvorů mohou působit jako koncentrátory napětí, což zvyšuje riziko vzniku trhlin nebo selhání pod tlakem. To je obzvláště nebezpečné v kritických aplikacích, jako je letecký a automobilový průmysl, a u lékařských přístrojů, kde je spolehlivost součástí klíčová.
Detekce a prevence vzniku pórů ve tvaru klíčové dírky je proto zásadní pro zajištění výkonu, bezpečnosti a trvanlivosti aditivně vyráběných kovových součástí. Aby toho bylo dosaženo, vědci vyvinuli metodu pro identifikaci a predikci těchto pórů v reálném čase pomocí kombinace termovize, rentgenového zobrazování a strojového učení.
Tento nový proces využívá silné rentgenové záření k zachycení toho, co se děje uvnitř kovu během tisku. Kamera zároveň také zaznamenávala termosnímky.
Poté byl použit trénovaný model umělé inteligence, který jej naučil, jak specifické povrchové teplotní vzorce predikují tvorbu pórů. Po trénování dokázal model s extrémně vysokou přesností a během milisekund detekovat, kdy se pór tvoří, pouze na základě tepelného snímku.
Termovizní kamery jsou již nainstalovány na několika 3D tiskárnách. Dosud však nedokázaly spolehlivě odhalit vnitřní vady. Nová metoda vyvinutá týmem vědců využívá stávající kamery a umělou inteligenci k okamžité detekci vad, čímž eliminuje potřebu drahých rentgenových snímků pokaždé.
Tato technologie by se nakonec mohla spárovat s automatickými korekcemi, jako je úprava laseru nebo opětovný tisk vrstvy, aby se problémy řešily hned, jak se vyskytnou.
Mohlo by to snížit množství odpadu, ušetřit peníze a zvýšit bezpečnost. „Naše rentgenové paprsky jsou tak intenzivní, že dokážeme zobrazit více než milion snímků za sekundu,“ uvedl Samuel Clark, fyzik z Argonne. „Výzkumníci dále vyvinou senzorické technologie, které dokážou detekovat další typy vad, jež se vyskytují během procesu aditivní výroby. Cílem je vytvořit systém, který nejen detekuje vady, ale také umožňuje jejich opravy během 3D tisku,“ uvádí se ve zprávě amerického ministerstva energetiky.